DE809491C - Piezoelektrischer Umformer - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 30. JULI 1951

P 45579 IXa/'42g D

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Umformer, unter dem im vorliegenden Fall ein Gegenstand verstanden werden soll, der einen Körper aus einem polykristallinischen, dielektrischen Werkstoff enthält, der elektrische Energie in mechanische Energie oder umgekehrt umzuwandeln vermag. Als piezoelektrische Werkstoffe können Erdalkalititanate, wie z. B. Bariumtitanat, verwendet werden.

Es hat sich ergeben, daß ein Körper aus einem solchen polykristallinischen Stoff, wenn ihm mittels Elektroden eine elektrische Spannung zugeführt wird, eine mechanische Formveränderung sowohl in Richtung des erzeugten elektrischen Feldes als auch quer zu ihm oder umgekehrt erleidet, wenn der Werkstoff polarisiert ist. Polarisation kann sich ergeben, wenn der Werkstoff während der Wirkung des Elements dauernd dem Einfluß eines elektrischen Vorspannungsfeldes ausgesetzt wird. Unter gewissen Bedingungen tritt sie in Form remanenter ao Polarisation auf, und zwar, wenn das Material vor der Verwendung als Teil eines Umformers in ähnlicher Weise behandelt und das Vorspannungsfeld danach ausgeschaltet wird.

Die Körper aus polykristallinischem Stoff könnten in einer Form verwendet werden, wie sie bei Umformern aus monokristallinischem Stoff, wie z. B. Seignettensalzkristallen, üblich ist, und zwar indem zwei flache Platten aus dem Stoff unter Zwischenfügung einer Elektrode zusammengeklebt und die Außenoberflächen der Platten auch mit einer Elektrode versehen werden. Solche Elemente des sog. ,

Sandwich-Typs haben bei vielen Verwendungen, bei denen eine Biegungs- oder Torsionsbewegung mit dem Umformer in elektrische Energie umgewandelt werden soll oder umgekehrt, zufriedenstellende Ergebnisse geliefert. Sie haben jedoch den Nachteil, daß infolge der während des Betriebs auftretenden großen Schubkräfte zwischen den Platten diese bestrebt sind, sich voneinander zu lösen, was die Wirkung des Umformers verschlechtert. Außerdem ist

ίο es bei der Herstellung der Platten auf keramischem Wege infolge der sich einstellenden hohen Temperatur schwierig, Platten mit flachen Flächen zu erzeugen, die sich gut dazu eignen, mit Elektroden versehen in erwünschter Weise zusammengeklebt zu werden.

Die Erfindung bezweckt, einen piezoelektrischen Umformer mit einem Körper aus polykristallinischem, dielektrischem Material zu schaffen, dem die erwähnten Nachteile des Sandwich-Typs nicht an-

ao haften.

Das Element gemäß der Erfindung enthält einen einschichtigen plattenförmigen, mit einem zur Übertragung einer mechanischen Steuerkraft dienenden Kupplungsglied versehenen und aus polykristallini-

«5 schem, dielektrischem, piezoelektrischem Werkstoff bestehenden Körper, an dem wenigstens ein Teilstück seiner breiten Flächen in wenigstens einer ihrer beiden Hauptrichtungen gekrümmt (nicht linear) ist. und diese Flächen mit mehreren längs der Krümmung nebeneinanderliegenden streifenförmigen Elektroden versehen sind. Die Streifen der Hauptflächen, auf denen sich die Elektroden erstrecken, können gerade oder gekrümmt sein. Im letzteren Fall darf die Krümmung nicht ihre Richtung umkehren.

Unter nicht linear sein der Hauptflächen soll im vorliegenden Fall verstanden werden, daß die Begrenzung dieser Flächen in der erwähnten Richtung eine von einer Geraden abweichende Form hat, z. B.

konvex oder konkav profiliert oder wellenförmig ist. Die Nichtlinearität hat nicht nur zur Folge, daß die Platte mechanisch versteift wird, sondern auch, 'daß während des Betriebs des Elements eine Biegung oder Torsion der Teile der Platte in gewissen Teilen von einem Schwund und in anderen Teilen von einer gleichzeitigen Ausdehnung begleitet ist. Infolgedessen ist es möglich, unter Zuhilfenahme einer einzigen Platte bei mechanischer Belastung des Elements auf den Hauptflächen elektrische Potentiale verschiedener Polarität zu erzeugen und umgekehrt beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Formveränderung der Platte zu bewerkstelligen. Selbstverständlich wurden die Elektroden an denjenigen Stellen angebracht, an denen entweder ein Schwund oder eine Ausdehnung des Werkstoffes auftritt. Es ist jedoch möglich, eine der Hauptflächen mit nur einer Elektrode zu versehen, die in diesem Fall als gemeinsame Gegenelektrode für die voneinander getrennten Elektroden auf der anderen Hauptfläche dient.

Bei einer Ausführungsform des Umformers ist der Körper an einem der Enden, an dem die Elektroden gemeinsam enden, an einem Träger oder Sockel befestigt und am entgegengesetzten Ende mit Mitteln zur Übertragung mechanischer Energie durch Biegung oder Torsion des Körpers gegenüber der Befestigungsstelle versehen.

Vorrichtungen, bei denen das Element nach der Erfindung verwendbar ist, sind z. B. Tonabnehmer, Schreiber, Lautsprecher, Mikrophone, Schalter ■ o. dgl.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In der Zeichnung ist

Fig. ι eine Ansicht eines mit Elektroden versehenen plattenförmigen Körpers aus polykristallinischem, dielektrischem Material, der sich zur Verwendung in einem Umformer nach der Erfindung gut eignet;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf diesen Körper, aus der die elektrischen Anschlüsse der Elektroden zur Verwendung bei der Vorpolarisierung ersichtlich sind;

Fig. 3 und 4 sind ähnliche Draufsichten auf den Körper nach Fig. 1, in denen andere Ausführungsformen der elektrischen Anschlüsse der Elektroden zur Verwendung des mit Elektroden versehenen Körpers im Umformer dargestellt sind;

Fig. 5 ist eine schaubildliche Darstellung eines Umformers nach der Erfindung, bei dem der Körper go nach Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 6, 7 und 8 sind schaubildliche Darstellungen anderer Ausführungsformen des Umformers nach Fig. 5;

Fig. 9 und 10 sind eine Ansicht bzw. eine Draufsieht eines anderen Umformers nach der Erfindung;

Fig. 11 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungsform des Umformers nach der Erfindung unter Wegfall des mittleren Teiles;

Fig. 12 ist eine Draufsicht auf das Umformungselement nach Fig. 11, in der die Elektroden sowie geeignete elektrische Anschlüsse an diese zum Betrieb des Umformers dargestellt sind, und

Fig. 13 ist eine schaubildliche Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. ι ist im Aufriß ein dünner Körper 11 aus polykristallinischem, dielektrischem Material von der Art angegeben, die erhebliche elektrische Kräfte unter dem Einfluß elektrostatischer Felder erzeugen kann. Ein gut geeignetes Material ist z. B. ein polykristallinisches Titanatmaterial, das Bariumtitanat enthält. Dieses Material enthält vorzugsweise im wesentlichen Bariumtitanat, dem gewünschtenfalls Strontiumtitanat zur Änderung der elektromechanischen Eigenschaften des Materials zugesetzt werden kann.

Wie aus Fig. 2 in Draufsicht ersichtlich, hat der Körper 11 in zur Längsachse senkrechten Ebenen einen gekrümmten Querschnitt, und zwar weist er eine konkave Hauptfläche 12 und auf der anderen iao Seite eine konvexe Hauptfläche 13 auf, wobei die Stärke des Körpers trotz der Krümmung dieser Hauptflächen völlig einheitlich ist. Anliegend an der Hauptfläche 12 erstrecken sich in der Richtung der Längsachse drei benachbarte, streifenförmige Elektroden 14, 15 und 16 und anliegend an der

Hauptfläche 13 entsprechende streifenförmige Elektroden 17, 18 und 19. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Elektroden 14, 15 und 16 miteinander verbunden und an den einen Pol einer Vorspannungsquelle 20 angeschlossen, während die Elektroden 17, 18 und 19 auch miteinander verbunden sind und durch einen Schalter 21 an den anderen Pol der Quelle 20 angeschlossen sind. Die Elektroden werden vorzugsweise besonders dünn gestaltet und können z. B. aus an die Flächen des Körpers 11 angeklebten, elektrisch leitenden Metallfolienstreifen bestehen, oder sie können auch aus zahlreichen feinverteilten, leitenden, kohlestoffhaltigen Teilchen bestehen, die aneinander und an die Flächen unter Zuhilfenahme eines gut geeigneten Bindestoffs auf eine in der Technik bekannte Weise angeklebt sind. Besonders im letzteren Fall sind die Elektroden gewöhnlich so dünn, daß sie anscheinend überhaupt keine Dicke haben; zwecks größerer Deutlichkeit sind die Elektroden jedoch in Fig. 2 mit stark übertriebener Dicke dargestellt. Abgesehen von den Draufsichten in den Zeichnungen sind die Elektroden im allgemeinen dargestellt, als ob sie einen Teil der Flächen, auf denen sie angebracht sind, bildeten.

Bei den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, Remanenzpolarisation in der Dickenrichtung im dielektrischen Material vorzusehen. Dies kann durch Anwendung der in Fig. 2 dargestellten Elektrodenschaltung bewerkstelligt werden. Wenn der Schalter 21 während einer angemessenen Zeit geschlossen gehalten wird, wird eine Vorspannung der Quelle 20 mit der gleichen Polarität an alles dielektrische Material in dessen Stärkenrichtung angelegt, mit Ausnahme der schmalen, zwischen den Elektroden liegenden Streifen des Materials. Nachdem das Material auf diese Weise vorpolarisiert worden ist, kann die in Fig. 2 dargestellte Schaltung, durch welche die Elektroden verbunden sind, von dem mit Elektroden versehenen Körper abgeschaltet und gemeinsam mit der Quelle 20 und dem Schalter 21 zur Behandlung anderer ähnlicher Körper aus dem gleichen oder ähnlichem Material in Be- j trieb gehalten werden.

Soll der mit Elektroden versehene Körper in einem Umformungselement verwendet werden, so können die in der Fig. 3 dargestellten Elektrodenanschlüsse verwendet werden. Bei diesen An-Schlüssen sind die äußeren Elektroden 14 und 16 auf der Fläche 12 miteinander und mit der mittleren Elektrode 18 auf der Fläche 13 verbunden, während die mittlere Elektrode 15 auf der Fläche 12 und die beiden äußeren Elektroden 17 und 19 auf der Fläche 13 angeschlossen sind. Die Elektroden 14, 16 und 18 werden darauf mit einem Pol 22 ver-• bunden, während die Elektroden 15, 17 und 19 an einem Pol 23 angeschlossen werden. Die Pole 22 und 23 können entweder mit einer Quelle von elektrischen Schwingungsspannungen oder mit einer Vorrichtung zur Anwendung von an diesen Polen erzeugten Schwingungsspannungen gekoppelt werden, aber eine solche Schwingungsquelle oder Anwendungsvorrichtung ist in der Zeichnung nicht . dargestellt, da zahlreiche Ausführungsformen soleher Vorrichtungen in der elektromechanischen Technik vollkommen bekannt sind.

Eine andere Schaltungsart der Elektroden zur Anwendung in einem Umformungselement ist in Fig. 4 dargestellt. Gemäß dieser Einrichtung ist der Pol 22 an die äußere Elektrode 16 auf der Fläche 12 angeschlossen, wobei die Elektroden 19, 18 auf der Fläche 13 sowie die Elektroden 15, 14 auf der Fläche 12 miteinander gekoppelt sind und die Elektrode 17 auf der Fläche 13 an den Pol 23 angeschlossen ist.

Ein Umformungselement, das den mit Elektroden versehenen Körper 11 enthält, ist in Fig. 5 dargestellt. Der untere Rand des Körpers ist an einem starren Sockel oder Fuß 24 befestigt, z. B. durch Auftragen eines haltbaren Klebemittels auf den Randteil des Körpers, der an den das eine Ende der Elektroden enthaltenden Teil der Fläche 12 anstößt. Gewünschtenfalls kann im Fuß 24 ein gekrümmter Schlitz vorgesehen werden, in den das untere Ende des Körpers in geringem Maße eingeführt werden kann. Mit dem oberen Rand des Körpers, der an den das andere Ende der Elektroden enthaltenden Teil der Fläche 12 stößt, ist eine mechanische Vorrichtung in Form einer Welle 25 go gekuppelt. Die Kupplung wird in der Weise vorgesehen, daß der Fuß der Welle 25 mit einer Kappe 26 verklebt wird, welche die Gestalt des oberen Randes des Körpers 11 hat und fest mit ihm verbunden ist. Die Elektroden der Flächen 12 und 13 des Körpers 11 sind auf die in Fig. 3 oder 4 dargestellte Weise geschaltet.

Bei der Beschreibung der Wirkungsweise des Umformungselements nach Fig. 5 kann zunächst angenommen werden, daß am Ende der Welle 25 Kräfte angreifen, die bestrebt sind, eine Bewegung in der Längsrichtung der Achse zu erzeugen, wie dies mit dem Doppelpfeil angegeben ist. Die infolgedessen auftretende Bewegung der Welle 25 und des oberen Endes des Körpers 11 findet in einer Richtung statt, die im allgemeinen senkrecht zur Fläche 12 verläuft und die von einer Biegung von wenigstens einigen der diese Fläche bildenden Linien begleitet ist. Wenn die Welle 25 nach links bewegt wird, wie dies in Fig. 5 angegeben ist, biegen alle diese Linien sich derart, daß die Scheitel der Linien sich nach links bewegen, während eine in der Richtung nach rechts an der Welle angreifende Kraft eine Biegung dieser Linien nach rechts herbeiführt. Diese Bewegungen der Welle 25 in der linken Richtung und in der entgegengesetzten, rechten Richtung rufen einen Schwund bzw. eine Ausdehnung hervor, gemessen in der Längsrichtung wenigstens eines Teils des Körpers 11 in der Nähe einiger der Linien, und insbesondere der zwei iao äußeren Teile des Körpers in der Nähe der nahe den beiden Rändern der gewölbten Fläche 12 liegenden Linien. Ähnliche Bewegungen der Welle bedingen gleichzeitig auch Auedehnung bzw. Schwund, in Abhängigkeit von der Richtung und Bewegung 1*5 wenigstens eines anderen in der Nähe der anderen

Linien liegenden Teile des Körpers 11 und insbesondere des mittleren Teils des Körpers nahe der in der Nähe der Mitte der gewölbten Fläche 12 liegenden Linien. Die Elektroden 14 und 16 und die dritte Elektrode 15, die an der Fläche 12 anliegen, liegen an den beiden äußeren Teilen bzw.' dem mittleren Teil des Körpers 11 an. Bei einer Bewegung der Welle 25 nach links und also einer abwärts gerichteten Bewegung des oberen Randes des Körpers 11, wie dies aus Fig. 5 ersichtlich ist, hat die Bewegung Schwund der äußeren Teile des Körpers 11 nahe den beiden Elektrodenpaaren 14, 17 und 16, 19 und gleichzeitige Ausdehnung des mittleren Teils des Körpers nahe dem Elektrodenpaar 15, 18 zur Folge. Infolge der elektromechanischen Reaktion des Materials in einer Richtung quer zur Polarisationsrichtung, d. h. in Fig. 5 in der senkrechten Richtung, entsteht eine Schwingungsspannung der einen Polarität an den zuerst genannten,

ao in der Nähe der einschrumpfenden Teile des Körpers liegenden Elektrodenpaare, während eine Schwingungsspannung entgegengesetzter Polarität an dem zuletzt genannten, in der Nähe des sich dehnenden Teils des Körpers liegenden Elektrodenpaar entsteht. Da, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist, das zuletzt genannte Elektrodenpaar 15, 18 und die Klemmen 22, 23 in einem Sinne angeschlossen ist, der dem der Anschlüsse der zuerst genannten Elektrodenpaaren entgegengesetzt ist, haben die von den verschiedenen Elektrodenpaaren den Klemmen zugeführten Schwingungen die gleiche Polarität, und sie unterstützen sich gegenseitig. Wird die Welle 25 im entgegengesetzten Sinne bewegt, so werden die Teile des Körpers 11, die keinem Schwinden bzw. keiner Dehnung unterworfen waren, nunmehr einer Dehnung bzw. einem Schwinden unterworfen sein und somit eine Umkehrung der Polarität an den Klemmen 22, 23 hervorrufen. Das

. Anlegen einer Schwingungsspannung an die Klemmen 22, 23 bringt auf in der Technik durchaus bekannte Weise eine Bewegung der Welle 25 mit sich infolge des umgekehrten elektromechanischen Ansprechens des Körpers 11.

Sind die Elektroden gemäß Fig. 4 angeschlossen und bewegt sich die Welle 25 in der einen Richtung, so sammeln sich elektrische Ladungen an den Elektroden 14 bis 19 genau so, wie dies der Fall ist bei den in Fig. 3 dargestellten Anschlüssen. Die Polarität der Spannungen an den drei Elektrodenpaaren, die infolge der auf diese Weise erzeugten Ladungen auftreten, ist in Fig. 4 angegeben. Es ist ersichtlich, daß die drei Elektrodenpaare in der Schaltung nach Fig. 4 in Reihe liegen, um eine Addition dieser Spannungen zu bewerkstelligen.

Dadurch erklärt sich, daß die mittels der Schaltung nach Fig. 4 erzeugte Schwingung eine höhere Spannung hat als die mittels der Schaltung nach Fig. 3 erzeugte. Umgekehrt bedingt das Anlegen einer bestimmten Spannung an die Klemmen 22, 23 an diese beiden Arten von Elektrodenschaltungen eine geringere Bewegung der Welle 25 bei der Schaltung nach Fig. 4.

Das in Fig. 6 schaubildlich dargestellte Umformungselement ist dem Umformungselement nach Fig. 5 ähnlich, nur daß im unbelasteten Zustand die Längslinien, welche die gekrümmten Hauptflächen des polykristallinischen Körpers bilden, keine Geraden sind. Der Querschnitt ist, ähnlich wie dies in Fig. 5 der Fall ist, gekrümmt. Die in Fig. 6 dargestellte Bauart besteht aus einem dünnen Titanatkörper 31, der fest mit einem Fuß 24 verbunden ist, der dem in Fig. 5 dargestellten ähnlich ist. Beim Körper 31 sind Elektroden 34, 35 und 36 auf einer Hauptfläche und entsprechende Elektroden auf der entgegengesetzten Hauptfläche angebracht, von denen eine Ecke der Elektrode 39 gegenüber der Elektrode 36 in Fig. 6 sichtbar ist. Zur Übertragung der mechanischen Energie sind eine Welle 25 und die Kappe 26 am oberen Ende des Körpers 31 befestigt, ähnlich wie bei der Ausgestaltung nach Fig. 5·

Wenn der mit Elektroden versehene Körper 31 bei der Bauart nach Fig. 6 durch Ausübung von Kräften auf die Welle 25 in einer mit dem Doppelpfeil angegebenen Richtung belastet wird, führt die in der Querrichtung gekrümmte Form gleichzeitige Ausdehnung und Schwund der äußeren bzw. mittleren Teile des Körpers herbei, was sich in einer elektrischen Ladung an den Elektroden auswirkt. Die Wirkungsweise entspricht genau derjenigen der Bauart nach Fig. 5, und die Elektroden können gemäß dem Schaltbild nach Fig. 3 oder gerrräß dem der Fig. 4 angeschlossen werden. Da keine Umkehrung der Krümmung über die Längslinien in den Flächen des Körpers 31 stattfindet, wird diese Krümmung nicht auf unerwünschte Weise zu einer Torsion der Linien bei der Ausübung der Kräfte auf die Welle 25 Veranlassung geben. Die Wölbung in der Querrichtung hat also zur Folge, daß der Körper auf ähnliche Weise wie bei der Schaltung nach Fig. 5 verstärkt wird.

Wie aus den Bauarten nach Fig. 7 und 8 ersichtlich ist, braucht die Wölbung in der Querrichtung nicht über die ganze Länge des Umformungselements des in Fig. 5 oder 6 dargestellten Typs die gleiche zu sein. Es ist z. B. in Fig. 7 ein Körper 41 aus dem polykristallinischen Material auf einem Fuß 24 angebracht und mit einer Welle 25 versehen, die an einer Kappe 42 befestigt ist. Äußere Elektroden 44, 46 und eine mittlere Elek- no trode45 sind auf der einen Hauptfläche 41 angebracht, während entsprechende Elektroden auf der entgegengesetzten Hauptfläche angebracht sind. An der Stelle, an welcher der Körper 41 am Fuß 24 befestigt ist, hat er die gleiche Form wie bei der Einrichtung nach Fig. 5, aber die Wölbung nimmt in Aufwärtsrichtung ab, bis an der Stelle, an der die Kappe 42 am Körper befestigt ist, die Form des Querschnitts linear geworden ist. Es gibt also einen kleinen Teil am oberen Ende des Körpers 41, iao der nicht linear in zu den Längslinien in der Hauptfläche des Körpers senkrechten Richtungen ist. Ein wie in Fig. 7 gestalteter Körper ist am haltbarsten an der Stelle, an der die seitliche Wölbung am größten ist, d. h. am Fuß. Der mechanische Widerstand gegen die Biegung, die von einer auf den

Körper von der Welle 25 und der Kappe 42 an dessen oberen Ende ausgeübten Kraft herbeigeführt wird, ist also am größten dort, wo das Biegungsmoment dieser ausgeübten Kraft am größten ist. Dies bedingt eine erwünschte einheitliche Belastungsverteilung im Innern des dielektrischen Körpers. Die Elektrodenanschlüsse können wieder entweder wie in Fig. 3 oder wie in Fig. 4 sein.
Das in Fig. 8 schaubildlich dargestellte Umformungselement ist wieder demjenigen der Fig. 6 ähnlich. Es besteht aus einem Fuß 24 und einem Körper 51, der Hauptflächen hat, die aus praktisch geraden Linien in der Längsrichtung bestehen, der jedoch in der Querrichtung gewölbt ist und dessen Oberfläche den gleichen Krümmungsradius über die ganze Länge des Körpers hat. Die Welle 25 ist mit dem oberen Ende des Körpers 51 mittels einer Kappe 52 verbunden, die auf ähnliche Weise, wie die Kappe 26 bei der Einrichtung nach Fig. 1

ao gekrümmt, aber kurzer als diese Kappe 26 ist. Die Ränder des Körpers 51 verlaufen in Aufwärtsrichtung gegeneinander, und der Körper verjüngt sich also in Aufwärtsrichtung. Infolgedessen wird auch der Elektrodenabstand 54, 55, 56 nach oben zu kleiner. Diese Elektroden können miteinander verbunden sein wie die Elektroden der Einrichtung nach Fig. 5. Die in den Fig. 5 und 8 dargestellten Bauarten wirken in durchaus ähnlicher Weise, aber der sich nach oben zu verjungen.de Querschnitt des Körpers 51 bewirkt, daß die oberen Teile dieses Körpers weniger kräftig sind, wodurch sich der gleiche vorteilhafte Zustand der Belastungsverteilung wie bei der Einrichtung nach Fig. 7 ergibt. Obgleich ein gewölbter Querschnitt in manchen Fällen erwünscht ist, kann sich die gleiche Widerstandsfähigkeit gegen Biegung ergeben, wenn dem Querschnitt eine anders gekrümmte Form erteilt wird. Es hat z. B. bei den Bauarten der Fig. 9 und 10 der Körper 61 einen flachen mittleren Teil und zwei äußere Teile, die derart gekrümmt sind, daß sie einen Winkel von etwa 90⁰ mit dem mittleren Teil einschließen. Die eine Hauptfläche des Körpers 61 ist mit Elektroden 64, 66 versehen, die an den äußeren Teilen des Körpers anliegen und mit einer Elektrode 65, die an dem mittleren Teil des Körpers anliegt. Eine einzige große Elektrode 68 überzieht die auf der anderen Seite liegende Hauptfläche. Die Welle 25 ist an einer Kappe 62 befestigt, die mit dem oberen Teil des Körpers 61 fest verbunden ist. Der untere Teil des Körpers ist mit einem Fuß 63 fest verbunden. Die äußeren Elektroden 64, 66 sind mit dem einen Pol 71 verbunden, während die mittlere Elektrode 65 mit dem anderen Pol 72 verbunden ist. Da die versteifende Wirkung der gekrümmten, äußeren Teile des Körpers besonders groß ist, können diese gekrümmten Teile verhältnismäßig kurz sein. Die Wirkungsweise entspricht wieder derjenigen der Einrichtung nach Fig. 5. Wenn die Welle 25 in der Pfeilrichtung (Fig. 10) vorbewegt wird, werden die unteren Enden der gekrümmten, äußeren Teile an den Fuß 63 angedrückt, während der mittlere Teil das Bestreben hat, sich vom Fuß zu entfernen. Dies bedingt Schwund der äußeren Teile und Ausdehnung des mittleren Teils, was sich in Ladungen der einen Polarität an den Elektroden 64, 66 und einer Ladung entgegengesetzter Polarität an der Elektrode 65 auswirkt. Wenn die Elektroden miteinander verbunden sind, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist, liegen Elektroden 64, 66 parallel, und dieses parallel geschaltete Elektrodenpaar ist wieder mit der Elektrode 65 durch die gemeinsame Elektrode 68 in Reihe geschaltet.

Obgleich eine Umkehrung der Krümmung der Längslinien der Hauptflächen die versteifende Wirkung des gekrümmten Querschnitts aufheben würde, hat oder haben eine oder mehrere Umkehrungen der Krümmung im Querschnitt eine entgegengesetzte Wirkung. Eine Bauart, bei der ein dielektrischer Körper mit wenigstens einer Umkehrung, im vorliegenden Fall vier Umkehrungen, der Krümmung in der Querrichtung verwendet wird, ist in Fig. 11 und 12 dargestellt, wobei die Krümmung besonders deutlich aus der Fig. 12 ersichtlich ist. Dargestellt ist ein Körper 81 aus Titanatmaterial mit einer Hauptfläche 82 und einer entgegengesetzten Hauptfläche 83. Diese Flächen enthalten praktisch gerade Linien, die, wie dies aus Fig. 11 ersichtlich ist, in senkrechter Richtung verlaufen. Die mannigfachen Krümmungsumkehrun- go gen der Fläche 82 in der Querrichtung haben zur Folge, daß drei Kugelteile derselben bei den äußeren Teilen und dem mittleren Teil des Körpers und zwei hohle Hohlteile derselben bei den beiden zwischen diesen Teilen liegenden Teilen des Körpers gebildet werden. Die konvexen und konkaven Teile der Fläche 83 liegen neben entsprechenden konvexen und konkaven Teilen des Körpers 81, wodurch dem Körper eine mechanische Widerstandsfähigkeit gegen Biegung der Längslinien gegeben wird, aus denen die Fläche besteht.

Der Körper 81 ist mit einem Fuß 84 fest verbunden und mit einer Kappe 86 versehen, an der eine Welle 85 zur Bewegung in einer der mit einem Doppelpfeil angegebenen Richtungen befestigt ist. Die Bewegung der Welle 85 in der in Fig. 12 einer vertikalen Verschiebung entsprechenden Richtung ist von einer Biegung der erwähnten senkrechten Linien begleitet und bedingt, in der Längsrichtung des Körpers gemessen, Schwund der konvexen Teile und gleichzeitige Ausdehnung der konkaven Teile des erwähnten Körpers. Eine Anzahl von Elektroden ist an der Fläche 82 anliegend angebracht, und zwar an einer jeden der Flächen der konvexen bzw. konkaven Teile des Körpers. Auf diese Weise sind die Elektroden 91 bis 95 angebracht, wobei die Elektroden 91, 93 und 95 an den konvexen Teilen und die Elektroden 92 und 94 an den konkaven Teilen des Körpers, in der Richtung der Fläche 92 gesehen, anliegen. Die entgegen- no gesetzte Fläche 83 ist mit einer einzigen großen Elektrode 97 überzogen.

Die Bewegung der Welle 85, die, wie vorstehend beschrieben, gleichzeitig Schwund und Ausdehnung der konvexen bzw. konkaven Teile des Körpers iss bewirkt, erzeugt elektrische Ladungen entgegen-

gesetzten Vorzeichens auf den gegenüber den betreffenden Teilen liegenden Elektroden. Indem die Elektroden 91,93 und 95, die an den konvexen Teilen anliegen, an einen Pol 98 angeschlossen werden und die Elektroden 92 und 94, die an den konkaven Teilen anliegen, an einen Pol 99, werden die konvexen Teile parallel zueinander gelegt und dank der gemeinsamen Elektrode 97 in Reihe mit den auch parallel zueinander liegenden Hohlteilen geschaltet.

Fig. 13 stellt eine Bauart dar, bei der eine Drehbewegung mechanisch in eine solche Biegung von Teilen des dielektrischen Körpers umgewandelt wird, daß sich eine elektrische Schwingung ergibt oder umgekehrt. Um dies zu bewerkstelligen, hat der dielektrische Körper 101 einen flachen mittleren Teil und zwei äußere Teile, die mit ihm einen Winkel von etwa 90° einschließen, jedoch nicht wie bei den Einrichtungen nach den Fig. 9 und 10,

ao sondern derart, daß sie in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Der Körper 101 ist mit einem starren Fuß 104 fest verbunden und ist mit einer geeigneten Kappe το6 und einer flachen Welle 105 versehen, die auf die mit dem Doppelpfeil angegeljene Weise gedreht werden kann. Es sind drei Elektrodenpaare vorgesehen, von denen die Elektroden 107 und 108 an den beiden äußeren Teilen des Körpers anliegen, während die Elektrode 109 an dessen mittlerem Teil anliegt. Eine jede dieser Elektroden hat eine entgegengesetzte Elektrode (in Fig. 13 nicht dargestellt) auf der entgegengesetzten Oberfläche. Eine Drehbewegung der Welle 105 in der Richtung des Uhrzeigers, von dem oberen Teil des Umformungselements aus gesehen, ist von einer mechanischen Reaktion zwischen dem Körper 101 und dem Fuß 104 begleitet, was eine Biegung der Teile des Körpers 101 nach links, in der Fig. 13 nach vorn zu gesehen, und eine Biegung der Teile des Körpers nach rechts, in dieser Figur nach hinten zu gesehen, bedingt. Diese zur Auswirkung gelangende Biegungsbewegung bringt Schwund der äußeren Teile des Körpers und Ausdehnung des größten Teils des flachen mittleren Teils mit sich, wodurch elektrische Ladungen auf den Elektroden entstehen, nahezu wie dies bei den Bauarten nach den Fig. 5, 9 und 10 der Fall ist. Umgekehrt führt eine Anlegung von Schwingungsspannungen an die Elektroden, wenn diese miteinander auf eine Weise, wie in Fig. 3 und 4, verbunden sind, Drehbewegungen der Welle 105 herbei. Die Längslinien unmittelbar unterhalb des Punktes, wo die Welle 105 an der Kappe 108 befestigt ist, erleiden bei dieser Drehbewegung keine oder nahezu keine Biegung. Die in der Zeichnung dargestellten dielektrischen Körper können auf entsprechende Weise hergestellt werden. Es kann z. B. der in den Fig. 11 und 12 dargestellte Körper 81 mit welligem Querschnitt aus einem rechteckigen Stück aus Bariumtitanatmaterial hergestellt werden. Entsprechende Abmessungen sind z. B. eine Länge von 3,15 cm, eine Breite von 1,4 cm und eine Dicke von 0,1 cm. Dieses Stück wird zu der in Fig. 12 dargestellten welligen Gestalt verarbeitet, bis ein dünner Körper von einer Stärke von etwa 0,07 cm zwischen den Hauptflächen 82 und 83 entsteht.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Piezoelektrischer Umformer, gekennzeichnet durch einen einschichtigen plattenförmigen, mit einem zur Übertragung einer mechanischen Steuerkraft dienenden Kupplungsglied versehenen und aus polykristallinischem, dielektrischem, piezoelektrischem Werkstoff bestehenden Körper, an dem wenigstens ein Teilstück seiner breiten Flächen in wenigstens einer ihrer beiden Hauptrichtungen gekrümmt (nicht linear) ist und diese Flächen mit mehreren längs der Krümmung nebeneinanderliegenden streifenförmigen Elektroden versehen sind.

   2. Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper an einem der Enden, an dem die Elektroden gemeinsam enden, an einem Träger befestigt und am entgegengesetzten Ende mit Mitteln zur Übertragung der mechanischen Energie durch Biegung oder Torsion des Körpers gegenüber der Befestigungsstelle versehen ist.

   3. Piezoelektrischer Umformer nach den Ansprüchen ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden beiderseits der Platte paarweise einander gegenüberliegen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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